解密RF信號(hào)鏈的特性和性能指標(biāo)

從歷史的角度來(lái)看，就在不久之前，也就是20世紀(jì)初，支持RF信號(hào)鏈的RF工程學(xué)還是一門(mén)新興的學(xué)科。如今，RF技術(shù)和射頻器件深深根植于我們的生活，沒(méi)有它們，現(xiàn)代文明可能不會(huì)存在。生活中有無(wú)數(shù)非常依賴RF信號(hào)鏈的示例，這將是我們討論的焦點(diǎn)。

在我們深入探討之前，我們先來(lái)了解RF的實(shí)際含義。乍一看，這似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。我們都知道，RF表示射頻，此術(shù)語(yǔ)的通用定義規(guī)定了特定的頻率范圍：MHz至GHz電磁頻譜。但是，如果我們仔細(xì)查看其定義并進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們只是對(duì)RF頻譜的實(shí)際邊界的定義不同。鑒于我們可能經(jīng)常在與特定頻率無(wú)關(guān)的其他環(huán)境中廣泛使用該術(shù)語(yǔ)，所以，此術(shù)語(yǔ)變得更加令人費(fèi)解。那么，RF是什么？

通過(guò)關(guān)注RF的突出特性，包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性，可以確立一致的定義基礎(chǔ)，涵蓋多種含義。這個(gè)基礎(chǔ)代表了現(xiàn)代包羅萬(wàn)象的定義，不依賴于單個(gè)方面或特定數(shù)值來(lái)區(qū)分RF和其他術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)RF適用于許多具有構(gòu)成此定義特性的任何電路或組件。

我們已設(shè)定了本次探討的背景，現(xiàn)在可以開(kāi)始進(jìn)入正題，分析圖1中的通用RF信號(hào)鏈。其中使用分布式元件電路模型來(lái)體現(xiàn)電路中的相位偏移，在較短的RF波長(zhǎng)下這種偏移不可忽略，因此該集總電路的近似表示不適用于這些類型的系統(tǒng)。RF信號(hào)鏈中可能包括各種各樣的分立式組件，如衰減器、開(kāi)關(guān)、放大器、檢測(cè)器、合成器和其他RF模擬器件，以及高速ADC和DAC。將所有這些組件組合起來(lái)用于特定應(yīng)用，其總體標(biāo)稱性能將取決于這些分立式組件的組合性能。

圖1.一個(gè)通用RF信號(hào)鏈。

因此，為了設(shè)計(jì)一個(gè)能夠滿足目標(biāo)應(yīng)用的特定系統(tǒng)，RF系統(tǒng)工程師必須能夠真正從系統(tǒng)級(jí)視角考慮，且對(duì)基礎(chǔ)的關(guān)鍵概念和原則有一致的理解。這些知識(shí)儲(chǔ)備非常重要，為此，我們編寫(xiě)了這篇討論文章，它包含兩個(gè)部分。第一部分的目標(biāo)是：簡(jiǎn)要介紹用于確定RF器件的特性和量化其性能的主要特性和指標(biāo)。第二部分的目標(biāo)是：深入介紹可用于針對(duì)所需應(yīng)用開(kāi)發(fā)RF信號(hào)鏈的各種單個(gè)組件及其類型。在本文中，我們將重點(diǎn)討論第一部分，并考慮與RF系統(tǒng)相關(guān)的主要特性和性能指標(biāo)。

RF術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

目前有多種參數(shù)用于描述整個(gè)RF系統(tǒng)及其分立式模塊的特性。根據(jù)應(yīng)用或用例，其中一些特性可能極其重要，其他特性則不太重要或無(wú)關(guān)緊要。僅通過(guò)本文，肯定無(wú)法對(duì)如此復(fù)雜的主題展開(kāi)全面分析。但是，我們將嘗試按照共同的思路，也就是將一系列復(fù)雜的相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶?、易于理解的RF系統(tǒng)屬性和特性指南，從而簡(jiǎn)明全面地概述最常見(jiàn)的RF性能。

基本特性

散射矩陣（或S矩陣）是在描述RF系統(tǒng)行為時(shí)需要用到的一個(gè)基本術(shù)語(yǔ)。我們可以使用S矩陣，將復(fù)雜的RF網(wǎng)絡(luò)表示為簡(jiǎn)單的N端口黑盒。常見(jiàn)的2端口RF網(wǎng)絡(luò)（例如放大器、濾波器或衰減器）示例如圖2所示，其中Vn+是n端口入射波電壓的復(fù)振幅，Vn– 是n端口反射波電壓的復(fù)振幅。2當(dāng)其所有端口都以匹配負(fù)載端接時(shí)，我們可以通過(guò)散射矩陣來(lái)描述該網(wǎng)絡(luò)，其中的元素（或S參數(shù)）根據(jù)這些電壓波之間的關(guān)系來(lái)量化RF能量如何通過(guò)系統(tǒng)傳播?，F(xiàn)在，我們使用S參數(shù)來(lái)表示典型RF網(wǎng)絡(luò)的主要特性。

圖2.用S矩陣表示的2端口網(wǎng)絡(luò)。

在網(wǎng)絡(luò)匹配的情況下，S21相當(dāng)于端口1到端口2的傳輸系數(shù)（S12也可以按類似方法定義）。以對(duì)數(shù)標(biāo)度表示的幅度|S21|代表輸出功率與輸入功率的比值，稱為增益或標(biāo)量對(duì)數(shù)增益。此參數(shù)是放大器和其他RF系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它也可以取負(fù)值。負(fù)增益表示固有損耗或失配損耗，通常用其倒數(shù)表示，即插入損耗(IL)，這是衰減器和濾波器的典型指標(biāo)。

如果我們現(xiàn)在考慮同一端口的入射波和反射波，則可以如圖2所示來(lái)定義S11和S22。當(dāng)其他端口以匹配負(fù)載端接時(shí)，這些項(xiàng)相當(dāng)于相應(yīng)端口的反射系數(shù)|Γ|。根據(jù)公式1，我們可以將反射系數(shù)的大小與回波損耗(RL)相關(guān)聯(lián)：

回波損耗是指端口的入射功率與源極的反射功率之比。根據(jù)我們估算這個(gè)比值使用的端口，我們可以區(qū)分輸入和輸出回波損耗?；夭〒p耗始終是非負(fù)值，表示網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出阻抗與朝向源極的端口阻抗的匹配程度。

需要注意的是，IL和RL與S參數(shù)的這種簡(jiǎn)單關(guān)系只有在所有端口都匹配的情況下才有效，這是定義網(wǎng)絡(luò)本身的S矩陣的前提條件。如果網(wǎng)絡(luò)不匹配，它不會(huì)改變其固有的S參數(shù)，但可能會(huì)改變其端口的反射系數(shù)以及端口之間的傳輸系數(shù)。

頻率范圍和帶寬

我們描述的所有這些基本量將在頻率范圍內(nèi)不斷變化，這是所有RF系統(tǒng)的共同基本特性。它定義了這些系統(tǒng)所支持的頻率范圍，并給我們提供了一個(gè)更關(guān)鍵的性能度量——帶寬(BW)

雖然此術(shù)語(yǔ)可能僅指信號(hào)特性，但其某些形式可用于描述處理這些信號(hào)的RF系統(tǒng)。帶寬一般會(huì)定義受某一標(biāo)準(zhǔn)限制的頻率范圍。但是，它可能具有不同的含義，因具體的應(yīng)用環(huán)境而異。為了使我們的論述更加全面，我們來(lái)簡(jiǎn)單定義一下不同的含義：

3 dB帶寬是信號(hào)功率電平超過(guò)其最大值一半的頻率范圍。

瞬時(shí)帶寬(IBW)或?qū)崟r(shí)帶寬是指系統(tǒng)在不需要重新調(diào)諧的情況下能夠產(chǎn)生或獲取的最大連續(xù)帶寬。

占用帶寬(OBW)是包含總集成信號(hào)功率特定百分比的頻率范圍。

分辨率帶寬(RBW)一般是指兩個(gè)頻率分量（可繼續(xù)分解）之間的最小間隔。例如，在頻譜分析儀系統(tǒng)中，它是最終濾波器級(jí)的頻率范圍。

這只是各種帶寬定義中的幾個(gè)示例；但是，無(wú)論其含義如何，RF信號(hào)鏈的帶寬很大程度上取決于其模擬前端，以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率和帶寬。

非線性

需要指出的是，RF系統(tǒng)的特性不僅會(huì)隨著頻率變化，也會(huì)隨著信號(hào)功率電平而變化。我們?cè)诒疚拈_(kāi)頭描述的基本特性通常用小信號(hào)S參數(shù)表示，沒(méi)有考慮非線性效應(yīng)。但是，在一般情況下，通過(guò)RF網(wǎng)絡(luò)的功率電平持續(xù)升高通常會(huì)帶來(lái)更明顯的非線性效應(yīng)，最終導(dǎo)致其性能下降。

我們?cè)谡務(wù)摼哂辛己镁€性度的RF系統(tǒng)或組件時(shí)，通常是指用于描述其非線性性能的關(guān)鍵指標(biāo)滿足目標(biāo)應(yīng)用要求。我們來(lái)看看這些常用來(lái)量化RF系統(tǒng)非線性行為的關(guān)鍵指標(biāo)。

我們首先需要考慮的參數(shù)是輸出1 dB壓縮點(diǎn)(OP1dB)，它定義了通用器件從線性模式轉(zhuǎn)換為非線性模式的拐點(diǎn)，即系統(tǒng)增益降低1 dB時(shí)的輸出功率水平。這是功率放大器的基本特性，用于將該器件的工作電平設(shè)置為趨向飽和輸出功率(PSAT)定義的飽和電平。功率放大器通常位于信號(hào)鏈的最后一級(jí)，因此這些參數(shù)通常定義RF系統(tǒng)的輸出功率范圍。

一旦系統(tǒng)處于非線性模式，就會(huì)使信號(hào)失真、產(chǎn)生雜散頻率分量，或者雜散。雜散是相對(duì)于載波信號(hào)（單位：dBc）的電平進(jìn)行測(cè)量，可以分為諧波和交調(diào)產(chǎn)物（參見(jiàn)圖3）。諧波是處于基波頻率的整數(shù)倍位置的信號(hào)（例如，H1、H2、H3諧波），而交調(diào)產(chǎn)物是非線性系統(tǒng)中存在兩個(gè)或更多基波信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)。如果第一個(gè)基波信號(hào)位于頻率f1，第二個(gè)位于f2，則二階交調(diào)產(chǎn)物出現(xiàn)在兩個(gè)信號(hào)的和頻和差頻位置，即f1 + f2和f2 – f1，以及f1 + f1和f2 + f2（后者也稱為H2諧波）。二階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)相結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生三階交調(diào)產(chǎn)物，其中兩個(gè)（2f1 – f2和2f2 – f1）特別重要，由于它們接近原始信號(hào)，因此難以濾除。包含雜散頻率分量的非線性RF系統(tǒng)的輸出頻譜表示了交調(diào)失真(IMD)，這是描述系統(tǒng)非線性度的一個(gè)重要術(shù)語(yǔ)。

圖3.諧波和交調(diào)產(chǎn)物。

與二階交調(diào)失真(IMD2)和三階交調(diào)失真(IMD3)相關(guān)的雜散分量會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成干擾。用于量化干擾嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)為交調(diào)點(diǎn)(IP)。我們可以區(qū)分二階(IP2)和三階(IP3)交調(diào)點(diǎn)。如圖4所示，它們定義輸入（IIP2、IIP3）和輸出（OIP2、OIP3）信號(hào)功率電平的假設(shè)點(diǎn)，在這些點(diǎn)上，相應(yīng)的雜散分量的功率將達(dá)到與基波分量相同的電平。雖然交調(diào)點(diǎn)是一個(gè)純數(shù)學(xué)概念，但它是衡量RF系統(tǒng)對(duì)非線性度耐受性的重要指標(biāo)。

圖4.非線性特性的定義。

噪聲

現(xiàn)在我們來(lái)看看每個(gè)RF系統(tǒng)固有的另一個(gè)重要特性——噪聲。噪聲是指電信號(hào)的波動(dòng)，包含許多不同方面。根據(jù)其頻譜及其影響信號(hào)的方式以及產(chǎn)生噪聲的機(jī)制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式。但是，盡管存在許多不同的噪聲源，我們也無(wú)需為了描述它們對(duì)系統(tǒng)性能的最終影響而深入研究其物理特性。我們可以基于簡(jiǎn)化的系統(tǒng)噪聲模型進(jìn)行研究，該模型使用單個(gè)理論噪聲發(fā)生器，通過(guò)噪聲系數(shù)(NF)這個(gè)重要指標(biāo)來(lái)描述。它可以量化系統(tǒng)所引起的信噪比(SNR)的下降幅度，定義為輸出信噪比與輸入信噪比的對(duì)數(shù)比。以線性標(biāo)度表示的噪聲系數(shù)稱為噪聲因子。這是RF系統(tǒng)的主要特性，可以控制其整體性能。

對(duì)于簡(jiǎn)單的線性無(wú)源器件，噪聲系數(shù)等于由|S21|定義的插入損耗。在多個(gè)有源和無(wú)源組件構(gòu)成的更復(fù)雜的RF系統(tǒng)中，噪聲由各自的噪聲因子Fi和功率增益Gi來(lái)描述，根據(jù)Friis公式（假設(shè)每級(jí)的阻抗都匹配），噪聲的影響在信號(hào)鏈中逐級(jí)降低：

由此可以得出結(jié)論，RF信號(hào)鏈的前兩級(jí)是系統(tǒng)總體噪聲系數(shù)的主要來(lái)源。這正是在接收器信號(hào)鏈的前端配置噪聲系數(shù)最低的組件（例如低噪聲放大器）的原因。

如果我們現(xiàn)在考慮生成信號(hào)的專用器件或系統(tǒng)，說(shuō)到其噪聲性能特征，一般是指受噪聲源影響的信號(hào)特性。這些特性就是相位抖動(dòng)和相位噪聲，用于表示時(shí)域（抖動(dòng)）和頻域（相位噪聲）中的信號(hào)穩(wěn)定性。具體選擇哪個(gè)，一般取決于應(yīng)用，例如，在RF通信應(yīng)用中，一般使用相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中，則通常使用抖動(dòng)。相位抖動(dòng)是指信號(hào)相位內(nèi)的小波動(dòng)，相位噪聲則是其頻譜表示，定義為相對(duì)于載波頻率不同頻偏處，1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率，認(rèn)為在此帶寬內(nèi)功率均衡（參見(jiàn)圖5）。

圖5.相位噪聲特性示例。

多種衍生品

到目前為止，我們考慮了多種重要系數(shù)，并基于這些系數(shù)衍生出很多參數(shù)，可用于量化各種應(yīng)用領(lǐng)域中RF信號(hào)鏈的性能。例如，在噪聲和雜散的基礎(chǔ)上衍生出動(dòng)態(tài)范圍(DR)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需特性的工作范圍。如圖4所示，如果該范圍的下限由噪聲決定，上限由壓縮點(diǎn)決定，我們稱之為線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)；如果其上限由最大功率電平（該電平使交調(diào)失真變得不可接受）決定，我們稱之為無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。需要注意的是，LDR和SFDR的實(shí)際定義可能因具體的應(yīng)用而異。

系統(tǒng)能夠處理生成具有指定SNR輸出信號(hào)的最低信號(hào)電平定義了接收器系統(tǒng)的另一個(gè)重要特性，即靈敏度。它主要由系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號(hào)帶寬決定。接收器本身的噪聲會(huì)對(duì)靈敏度和其他系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格造成限制。例如，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致眼圖中的星座點(diǎn)偏離其理想位置，使得系統(tǒng)的誤差向量幅度(EVM)降低，誤碼率(BER)隨之增高。

結(jié)論

我們可以使用多種特性和性能指標(biāo)來(lái)表征RF信號(hào)鏈。它們涉及不同的系統(tǒng)方面，其重要性和相關(guān)性可能因應(yīng)用而有所不同。雖然我們無(wú)法在一篇文章中全面闡述所有這些因素，但如果RF工程師能深入理解本文所探討的這些基本特性，就可以將它們輕松轉(zhuǎn)化為雷達(dá)、通信、測(cè)量或其他RF系統(tǒng)等目標(biāo)應(yīng)用中的關(guān)鍵要求和技術(shù)規(guī)格。

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審核編輯：湯梓紅